高等教育中計算思維問題的探索

王茹娟

摘 要：計算思維幾十年來在學(xué)術(shù)界中一直存在爭議，直到2006 年， Jeanetee Wing描述計算思維是能夠使學(xué)生在所有領(lǐng)域可以獲得成功而需要的一項思維技能。Wing有關(guān)計算思維的理論和著作有著廣泛的影響，已經(jīng)成為研究計算思維的學(xué)者在制定教學(xué)計劃時的主要參考材料，用于將計算思維貫穿于12年的義務(wù)教育之中。盡管著手點(diǎn)在義務(wù)教育之中，然而，除了計算機(jī)科學(xué)、 技術(shù)、 工程和數(shù)學(xué)（STEM）之外很少涉及計算思維，但是計算思維在高等教育中的潛力亟待人們?nèi)グl(fā)掘。文章的目的是審視當(dāng)前計算思維在高等教育領(lǐng)域中的狀態(tài)，并討論計算思維與其他學(xué)科的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：計算思維；高等教育；STEM

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）04-0003-03

Abstract： Computational thinking had been controversial in the academic world for several decades until 2006， when Jeanetee Wing described that computational thinking is a thinking skill that enables students to succeed in all fields. Wing's computational thinking theories and works have had a profound influence and become a major reference for making teaching plans for researchers in the field of computational thinking， which has thus been applied to the 12-year compulsory education. Despite the starting point in compulsory education， computational thinking is rarely utilized except in computer science， technology， engineering and mathematics （STEM）. The potential of computational thinking in higher education， however， is yet to discover. This paper is intended to examine the current utilization of computational thinking in higher education and discuss the correlation between computational thinking and other disciplines.

Keywords： computational thinking； higher education； STEM

一、介紹

計算思維是人類在思維過程中參與制訂問題及其解決辦法的一種思維模式，通過這種方式能快速地、有效地進(jìn)行信息處理，提出問題的解決方案[1]。計算思維幾十年來在學(xué)術(shù)界有著不同的名稱和定義。1962 年由Alan Perlis最早提出，同時闡述了卡內(nèi)基理工學(xué)院（現(xiàn)在是卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)）的編程入門課程[2]。基于他的研究Seymour Papert在 1980 年使用編程語言進(jìn)行數(shù)學(xué)概念的教學(xué)，正如所望，程序性的思維（即“像計算機(jī)一樣思考”）被認(rèn)為是構(gòu)成整體思維技能的一部分[3]。

直到 2006 年，Jeanette Wing在ACM美國計算機(jī)學(xué)會通訊發(fā)表了“計算思維”這篇文章，從此，計算思維得到了新的定義。Wing的文章提出計算思維不只對計算機(jī)這門學(xué)科的專家有用的一種技能，而是任何人在解決問題和發(fā)現(xiàn)計算解決方案時都能使用的心理過程。在這個更廣泛的意義上，被視為邏輯思維的一部分，計算思維可視為一項與所有學(xué)科有關(guān)的技能，不僅僅是計算機(jī)科學(xué)。因此，Wing認(rèn)為：“像對閱讀、寫作和算術(shù)一樣，我們應(yīng)將計算思維加到評價每個學(xué)生的能力中去”[4]。

二、計算思維在高等教育中的缺失

在高等教育方面，對計算思維的應(yīng)用則較為分散。對于計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的本科生早期階段的教學(xué)而言，計算思維技能問題仍然是熱門的研究課題，也是在各個重要的、有革新性的領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，但是許多對計算思維在交叉學(xué)科感興趣的，要么是具體的機(jī)構(gòu)，例如卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)和斯坦福大學(xué)，要么就是較大學(xué)院專業(yè)的分支機(jī)構(gòu)。而沒有機(jī)構(gòu)將計算思維作為一個基本的技能融入到除計算機(jī)科學(xué)以外的幾個學(xué)科中。之所以會出現(xiàn)這種情況，主要是以下幾個原因：

1. 計算思維概念化的問題。這些問題更容易在中小學(xué)通過務(wù)實專注教學(xué)方法來解決它們，卻成為高等教育中更注重研究領(lǐng)域教育的潛在障礙。

2. 除了計算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域，對于從計算機(jī)科學(xué)分離出來的計算思維方法和簡單的應(yīng)用計算機(jī)程序去解決數(shù)據(jù)問題的區(qū)別了解不多。

3. 即使在計算機(jī)科學(xué)中，對于計算的理解也是有限的。有些問題是可計算的，而另一些則不能。可能，在人文和其他非科學(xué)領(lǐng)域核心訓(xùn)練問題的構(gòu)建是一種非計算性的；在某些情況下用“可計算”方式來構(gòu)建這些問題也許是不可取的。但是，我們當(dāng)前理解計算的局限性可能被新興計算模型所改變，例如自然計算和并行交互計算[5]。

在本文中，我們會進(jìn)一步了解現(xiàn)狀以發(fā)現(xiàn)計算思維在高等教育中的潛力，希望能夠為構(gòu)建計算思維教育提供一套明確的方向，以便更好地學(xué)習(xí)和應(yīng)用計算思維。

三、計算思維在高等教育中的應(yīng)用

在大學(xué)教育中，關(guān)于計算思維的實踐教學(xué)研究依然很大程度上存在于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）領(lǐng)域中。Miller和Settle對計算機(jī)科學(xué)和非計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生對學(xué)習(xí)樹（路徑）遍歷的多個方法進(jìn)行了研究。這些樣本表明進(jìn)行過非結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)的學(xué)生比經(jīng)過傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生表現(xiàn)的更好[6]。

有研究表明，基于游戲的學(xué)習(xí)可能是復(fù)雜計算思維技能訓(xùn)練的有效策略。這種游戲原理的理解有可能早在60年代初就被提出了[2]。更多現(xiàn)代的研究將解決謎題游戲作為一種方法介紹編程的入門課程。它的原型最初是一個電腦游戲，學(xué)生使用混合的方向和命令移動頭像來通過較為復(fù)雜的系列“腦筋急轉(zhuǎn)彎”問題[7]。作者認(rèn)為，“作為學(xué)習(xí)內(nèi)容的游戲玩法，使學(xué)生理解了編程的工作原理，并使用這些原理作為游戲元素來解決環(huán)境中的問題，而使游戲成為有意義的事”。其后續(xù)的實驗表明：“游戲可以支持可視化的入門性的編程結(jié)構(gòu)“[8]。作者希望通過更大的樣本量來進(jìn)行進(jìn)一步的實驗研究，以探索他們以游戲為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)與計算思維的假設(shè)。

在教學(xué)和學(xué)習(xí)方法的創(chuàng)新中，非計算機(jī)專業(yè)的計算思維的培養(yǎng)取決于跨學(xué)科的興趣和延伸。Roberts等人設(shè)計了計算思維與自然和社會科學(xué)方面進(jìn)行交叉的訓(xùn)練方法并進(jìn)行了拓展[9]。Curzon等人提出“最美的計算是工程、科學(xué)、藝術(shù)；它沒有明確的邊界，并涉及到每個學(xué)科。這種跨學(xué)科的方法給了我們機(jī)會來提高學(xué)生除計算機(jī)以外的興趣”[9]。通過計算機(jī)與非計算機(jī)學(xué)科之間的交叉培養(yǎng)來提高學(xué)生的計算思維，將計算這種思想與各專業(yè)相結(jié)合，以促進(jìn)專業(yè)的學(xué)習(xí)。

計算機(jī)科學(xué)與生物學(xué)之間本身存在著交叉重疊的概念[9-10]。Navlakha 和Bar-Joseph提出了如何在系統(tǒng)生物學(xué)和計算思維的各種概念交叉點(diǎn)上進(jìn)行融合。值得注意的是，從計算思維的角度來看，這兩個學(xué)科的交叉點(diǎn)出現(xiàn)在“傳統(tǒng)”（基于圖靈）的概念中。例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念。在物理學(xué)方面，Caballero， Kohlmyer and Schatz使用 VPython編程環(huán)境引入計算思維概念介紹力學(xué)課程教學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)“解決一系列計算作業(yè)中的問題之后，大多數(shù)的學(xué)生都能夠成功塑造出一個新的問題”[11]。在這些情況下，學(xué)生未必能建立一個成功的模型，但通過對質(zhì)量問題分析和調(diào)試技能的額外關(guān)注，性能將會得到提高。Hambrusch等人研究并創(chuàng)建了屬于科學(xué)而非特定領(lǐng)域的計算思維主修課程[12]。此課程能夠滿足一般的計算要求，大學(xué)中應(yīng)用編程和計算思維概念處理物理學(xué)、生物學(xué)和統(tǒng)計學(xué)中的問題。從學(xué)生的進(jìn)入和退出統(tǒng)計中分析，在計算機(jī)科學(xué)和計算機(jī)編程中學(xué)生的完成度有所增加。

將計算思維方法納入非計算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域之外的學(xué)科是很困難的事情。一是由于“計算”概念的不確定性，二是因為計算思維是僅限于使用一個封閉的、基于圖靈模型的計算方法來解決問題的觀念。當(dāng)考慮科學(xué)知識時，創(chuàng)建“命題性的知識”和“程序性知識”是存在二義性風(fēng)險的。例如，自然語言理解一直是計算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域所研究的重點(diǎn)課題，其中所涉及到的語義網(wǎng)絡(luò)、本體映射等都是計算機(jī)科學(xué)的研究范疇。而研究的一些成果已經(jīng)有大量的應(yīng)用，若從此來看人文學(xué)科與計算機(jī)的交叉意義已非分析那么簡單。

將計算思維加入到人文與藝術(shù)領(lǐng)域的主修課程中，需要適當(dāng)?shù)慕榻B計算思維的原理。為非技術(shù)專業(yè)的學(xué)生介紹計算機(jī)科學(xué)課程的類型，以便更適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展。Soh等人提出更為詳細(xì)的跨學(xué)科計算思維課程[13]，這個是針對文藝復(fù)興時期的藝術(shù)提出的計算項目，并在內(nèi)布拉斯加大學(xué)進(jìn)行通用。這一項目跨越了計算機(jī)、工程、人文和美術(shù)等多個學(xué)科。框架提出了多種途徑，通過一系列的專門根據(jù)工程、 科學(xué)、 藝術(shù)或人文為主要研究領(lǐng)域的學(xué)生設(shè)計計算機(jī)科學(xué)課程。學(xué)生還將參與協(xié)作學(xué)習(xí)活動，不同的學(xué)生群體將分配到跨學(xué)科項目中的不同工作中。

將計算思維納入大學(xué)課程，問題主要集中在分析和設(shè)計的教學(xué)設(shè)計過程而不是發(fā)展和實施步驟。教學(xué)設(shè)計者將計算思維視為其他思維技能等同；因此他們設(shè)計計算思維課程所使用得策略類似于那些用來教學(xué)的一般化方法。因此，我們需要更多的研究，建立計算思維和教學(xué)設(shè)計與技術(shù)銜接得更好和更具體的教學(xué)設(shè)計戰(zhàn)略。

四、 結(jié)束語

本文綜述了計算思維的相關(guān)問題，包括計算機(jī)科學(xué)與其它非計算機(jī)學(xué)科之間的聯(lián)系和如何將計算思維課程納入非計算機(jī)學(xué)科中。當(dāng)然還面臨以下幾個問題：

1. 計算機(jī)與其它學(xué)科之間怎樣合作，計算思維在其他學(xué)科的高等教育發(fā)展中的概念化、 執(zhí)行和評價，建立在各種環(huán)境下的共享的模型。

2. 在各種非技術(shù)性學(xué)科，尤其是社會科學(xué)、人文學(xué)科和教育教學(xué)中如何建立計算思維的方法、策略、示例和案例。

3. 實現(xiàn)評價計算思維所需要的更廣泛的資源。

4. 計算思維教學(xué)的研究成果，特別是在非技術(shù)性學(xué)科。

學(xué)生的計算思維能力在進(jìn)入大學(xué)之初就是不平衡的，這與多種因素相關(guān)，受地域、家庭、性別、學(xué)生興趣、初等教育水平等多種因素影響，因此，在提出各種教育方案之前，了解和分析學(xué)生的狀況是教育工作者的一項艱難任務(wù)。

計算思維的學(xué)習(xí)、教學(xué)工具和評估程序成為高等教育學(xué)生素質(zhì)發(fā)展的需要仍然存在。應(yīng)進(jìn)一步研究計算思維與各學(xué)科之間的關(guān)系。此外，高等教育是一個復(fù)雜和相對的環(huán)境，改變需要時間。然而，思考和尋求更深層次的解釋將更多地影響未來跨學(xué)科的發(fā)展。

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